化工配电系统的综合设计

孟曙光，董云梅

(山东滨化集团股份有限公司，山东 滨州 256619)

随着氯碱行业的迅速发展，企业的规模日益扩大，特别是新建企业，离子膜法烧碱由最初的企业生产能力2万t/a发展到几十万t/a甚至上百万t/a，相应的下游产品链亦不断延伸，而使企业的供配电系统日益庞大,迫切要求提高供配电系统可靠稳定性。结合山东滨化集团股份有限公司(以下简称“山东滨化”)25万t/a烧碱装置及其配套产品的项目设计及建设，简述山东滨化配电系统的设计的特点。

1 供配电系统的组成

山东滨化新上25万t/a离子膜装置及配套产品装置共7套，总用电负荷为90 MW。采用110 kV/35 kV，一路为动力负荷引至山东滨化变电站，另一路为整流负荷直接引入整流配电；动力负荷经两台主变35 kV/10 kV 供各套装置10 kV配电系统。10 kV系统、0.4 kV系统均采用双回路供电，一回路失电自动切换另一回路供电；35 kV线路各引一备用线路至整流配电与变电站。这种供电方式的优点保证了各装置的可靠供电，同时在任何一级系统出现比较大的故障时可迅速恢复生产，避免大宗原料的浪费。配电网络如图1所示。

2 继电保护定值的整定

企业供电系统的特点为：负荷集中，线路短，上下级阻抗差值小，在进行短路电流计算时上下级短路电流差值较小，保护定值不宜整定。这种特点按常规的定值设定时在线路终端短路时极有可能造成越级跳闸，而导致多套装置停车。根据继电保护的设定要求——选择性、速动性、灵敏性和可靠性，对于4者不可能全部做到，应根据系统的容量、设备的选型、线缆的选型及易发故障点综合考虑决定主次之分。

2.1 采用的保护方式

(1)35 kV进线采用的保护方式为：复合电压启动的速断保护、过流保护(0.3 s)；供电部门的出线断路器的保护方式为：速断、过流、零序保护。

(2)35 kV变压器采用的保护方式为：差动保护、速断保护、过流保护(0.5 s)。

(3)10 kV出线保护为：过流保护(0.3 s)。

图1 配电系统综合设计图

Fig.1 Design diagram of power distribution system

(4)各装置10 kV进线保护：复合电压启动的速断保护，过流保护。

(5)10 kV变压器(干式变压器)：过温报警、高温报警(非跳闸)、过流、速断、失流失压保护(为避免晃电的影响，电流降到额定电流的10%、电压降到0.7Ue时，延时2 s跳闸)。

(6)10 kV高压电动机：过流、速断、失流失压保护(为避免晃电影响，当电流降到额定电流的10%、电压降到0.7Ue时，延时2 s跳闸)。

(7)备自投开关的逻辑设定：联络开关判断Ⅰ、Ⅱ段电压及1#、2#进线开关的状态；若Ⅰ段失压、Ⅱ段有压，1#、2#开关在闭合位置(由此判断为上级跳闸，本段无故障信息无保护动作)，跳1#进线，1 s后合联络开关(变电站10 kV联络开关为1 s、各装置区10 kV联络开关为2 s)。联络开关不设任何保护。

2.2 保护效果

(1)供电部门的出线断路器采用零序保护，防止了由于电缆故障引发火灾时对相邻电缆的损坏。

(2)10 kV、35 kV进线保护采用了复合电压启动的速断保护与过流保护。用失压判断柜内母排短路加短路电流的保护方式减少了下级故障引起越级跳闸的可能，用过流保护延时0.3 s作为本级及下一级的速断后备保护。

(3)10 kV出线保护仅采用了过流保护，由于10 kV出线电缆采用的是YJLV-26/35 kV-1×300 mm2，电压等级为35 kV，基本排除了由于电缆故障引发的线路短路，即使线路短路延时0.3 s跳闸，对于线缆的热稳定性亦能满足要求；该保护只是作为下一级的后备保护。

(4)10 kV变压器保护装置的负荷比较稳定，在设备选型时按60%变压器的容量选型，不可能造成过负荷，也不可能由于过负荷引起温度超高；取消了超高温跳闸信号改为报警信号，若因变压器故障引发的超高温会使速断或过负荷动作；失压保护采用了失流失压保护，主要是避免电网“晃电”的影响，在电网晃电期间不让变压器跳闸，只有当上级跳闸完全失电才导致失压跳闸；也是抗“晃电”的设计。

(5)10 kV高压电动机的保护：电动机线圈的温度引入DCS进行监控，实时监测电动机绕组温度，对于过温的保护信号也同样去除；在失压保护的设置上同样采用变压器失流、失压保护。主要是考虑离子膜系统透平机的运行状态直接参与工艺连锁，停运可导致全厂停车，影响非常大。

(6)备自投的逻辑设计主要保证上级跳闸时才断开进线开关，闭合联络开关，防止电源的返送，同时上下级投入的级差为1 s。

3 设备选型及采取的措施

(1)针对35 kV电缆易发故障采取以下措施：在35 kV供电系统备用一路电缆作为冷备用，电缆发生故障时可迅速切换至备用电缆供电。

(2)整流供电电缆受过电压的概率很高，如操作过电压、大气过电压、晶闸管的换相过电压、过长线路容易在屏蔽层形成环流产生较高的电压(单芯电缆不允许两段同时接地)等的应对措施：①35 kV线路及所有自变电站10 kV出线回路均选用YJLV-26/35 kV-1×300 mm2，动力线路长度为400 m，整流线路长度为900 m，载流量按1 A/mm2设计，电缆的载流量余量大，降低电缆运行温升，同时满足短路时的热稳定要求。②在线路终端采用加装电缆护层保护箱，当屏蔽层对地电压超过3 kV保护器动作，保护电缆护层不受击穿破损。③电缆桥架选用镀锌桥架，每一节桥架可靠连接并接地。④35 kV出线回路采用零序电流接地跳闸保护。⑤电缆终端采用3 M产品(应力管在电缆终端头中起着至关重要的作用，电缆头的着火多在应力管部位发生故障，其中有制作方面的原因也有材料方面的原因，国内的应力管多因介电常数及体积电阻率在制作时存在偏差不能使电场分布均匀而导致击穿)，山东滨化电缆终端均有3 M厂家现场制作。⑥变电站10 kV系统采用小电流选线及消弧消湝装置，可准确快速判断接地故障。⑦0.4 kV低压总盘出线开关开断能力按1.8倍低压侧母线短路设计选型。⑧10 kV及0.4 kV柜内母排全部套10 kV热缩套管，其中10 kV为双层热缩套管。

(3)电气设备能否可靠运行主要取决于本身的绝缘性能，而造成设备绝缘降低的因素如下：①设备过负荷或线缆载流量较高造成过温，长期过温导致绝缘破坏或寿命达不到设计使用寿命。②设备本身的绝缘材质，通常设备制造时本身的材质不好改变，可通过加强外绝缘，如：10 kV柜内母排，在满足相间距离的同时采用双热缩套管绝缘，避免过电压造成的相间及相对地的拉弧放电。③材料的选择上在价格相差不大的情况下采用高一电压等级的材质，对保证供电的可靠性起到了很大积极作用。如：10 kV电源出线采用35 kV电压等级的电缆同时载流量按1 A/mm2选型，变压器的低压出线(0.4 kV)绝缘子均采用10 kV电压等级。④山东滨化的项目建设期在2008年前后，正是材料价格高峰期，经过慎重考虑在35 mm2及以上电缆(除1级防爆区)均采用铝电缆，采取了以铝代铜的选型，在电缆终端的密封上采取了一些措施防止接线端子的氧化。电缆的费用为该项目节省资金约6 000万元(当时相同截面积的铜电缆约为铝电缆价格的6倍)。

4 防晃电的设计

电力系统在运行过程中，由于雷击、对地短路、故障重合闸、备自投、企业外部、内部的电网故障、大型设备起动等原因造成电网故障、造成电压瞬间较大幅度波动或者短时断电又恢复的现象称为“晃电”，晃电时间约在0.3 s内消除。高压的防晃电设计已在前面叙述，下面主要介绍山东滨化的低压方面的防晃电设计。

4.1 变频器的防晃电设计措施

山东滨化采用的变频器大多数为流量控制，无重载启动负荷，根据ABB变频器(ACS550)介绍如下。

(1)对变频器group31 自动复位功能进行如下设置:参数3101 复位次数 3次，复位时间为 3 s；参数3103 延时时间1 s；参数3106 欠压复位 1(允许自动复位)；参数3108外部故障复位 1(允许自动复位)。

(2)对变频器的外围控制的设计：根据工艺要求变频器需要在现场进行启停，需要自保持的接触器或控制继电器对变频器起停进行控制，接触器或中间继电器选用带阻尼延时的辅助触电，延时时间0.5 s。

4.2 低压控制回路的设计

根据工艺要求对于重要设备设计防晃电功能。在设计时尽量减少外围控制元件的数量，提高自身运行的可靠性，防止外围元器件故障导致的停车。

该设备的特点为：

(1)启动次数较少，在开车时进行主备切换或为单机运行。

(2)在设计时选用了NS250HSTR22ME220 3PFFC+MCHMN (75 W电动机)。

该产品的特点是：带电动操作机构可远程控制；带MN延时失压模块，延时时间约0.2 s。该空气开关带电动机保护模块，控制回路与主回路非常简单，无须单独设接触器与热保护。该产品有效消除了晃电的影响。

晃电时间虽短，但对连续生产中要求大量设备在工艺流程上不允许电动机跳闸停机的企业是灾难性的，特别是化工行业，轻者几十万元、上千万元经济损失，严重的还会发生火灾、爆炸乃至人身安全，对企业来讲真是灾难的几秒钟，在控制回路设计时必须引起足够的重视。